KR20230172678A - 내화재 필름이 적층된 수소저장용기 및 그 제조 공정 - Google Patents

내화재 필름이 적층된 수소저장용기 및 그 제조 공정 Download PDF

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KR20230172678A
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Abstract

본 발명은 내화재 필름이 적층된 수소저장용기 및 그 제조 공정에 관한 것으로서, 본 발명의 수소저장용기는, 실린더부 및 상기 실린더부의 단부의 돔부를 포함하는 수소저장용기 바디; 및 상기 바디의 상기 돔부 또는 상기 실린더부 중 최소한 일부에 적층된 내화재 필름을 포함한다.

Description

내화재 필름이 적층된 수소저장용기 및 그 제조 공정 {Hydrogen Storage Container Laminated By Fireproof Film And Manufacturing Methods Thereof}
본 발명은 수소저장용기에 관한 것으로서, 특히, 수소저장용기의 내화 성능 확보를 위해 수소저장용기에 내화재를 적용한 수소저장용기 및 그 제조 공정에 관한 것이다.
일반적으로 수소저장용기에 내화 성능을 부여하기 위해 내화재의 도입이 필요하다. 수소저장용기에 내화재를 적용하는 종래의 공정은, 도 1과 같이 수소저장용기(5)의 일반적으로 가장 얇은 돔부 외곽에 내화재를 스프레이 형식으로 도포하고 경화하는 방법을 사용한다.
그러나, 이와 같은 수소저장용기에 내화재를 적용하는 종래의 공정은, 스프레이 형식으로 분사하기 때문에 도포해야하는 목표 지점이 아닌 곳에도 도포가 된다는 단점이 있다. 이로 인해 재료가 손실되는 양이 매우 커져 원가 절감이 어렵다. 또한, 분사 시 조절이 용이하지 않아 도포 자체가 균일하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.
또한, 수소저장용기에 내화재를 적용하는 종래의 공정은, 도포 공정 후에도 내화재를 경화시키기 위한 경화 공정이 필수적이므로 공정 시간 자체가 길어지고, 공정 시간이 길어지면 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
나아가, 수소저장용기에 내화재를 적용하는 종래의 공정은, 용기 제작 후 내화재 층에 스크래치가 생길 가능성이 높아 내화 성능을 떨어뜨릴 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 재료 손실이 없으며 생산성이 향상되고 내화 성능의 확보될 수 있도록 필름 형태의 내화재를 수소저장용기에 적용한 수소저장용기 및 그 제조 공정을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 수소저장용기는, 실린더부 및 상기 실린더부의 단부의 돔부를 포함하는 수소저장용기 바디; 및 상기 바디의 상기 돔부 또는 상기 실린더부 중 최소한 일부에 적층된 내화재 필름을 포함한다.
상기 내화재 필름은 상기 바디와 접착을 위한 접착제층을 포함한다.
상기 돔부는, 상기 실린더부의 일측 단부의 제1 돔부 및 상기 실린더부의 타측 단부의 제2 돔부를 포함하고, 상기 제1 돔부 및 상기 제2 돔부에 돔형 내화재 필름을 재단하여 부착한다.
또한, 상기 실린더부에 평면형 내화재 필름을 재단하여 부착할 수 있다.
상기 내화재 필름은, 불용성 내화재, 휘발성 유기용매, 유기 중합체 및 레진의 혼합물을 시트 형태로 성형하고 경화한 내화재 시트의 한쪽면에 접착제층을 형성한 형태이다.
상기 혼합물은, 상기 불용성 내화재는 30~70 중량%, 상기 휘발성 유기용매 10~50 중량%, 상기 유기 중합체는 10~50 중량% 및 상기 레진 10~30 중량%를 포함한다.
상기 불용성 내화재는, 규산나트륨, MCA(Melamine Cyanurate), 수산화알루미늄, 염화파라핀, DBDPE(Decabromodiphenyl Ethane), TBBA(Tetraromobisphenol A), TCPP((Tris-chloroisopropyl)phosphate), TEP(Triethyl Phosphate), TBP(Tributyl phosphate), Graphite 중 어느 하나 이상을 포함한다.
상기 휘발성 유기용매는, 톨루엔, NMP(1-methyl-2-pyrrolidone) 중 하나 이상을 포함한다.
상기 유기 중합체는, Styrene, Acrylic Acid, Acrylate 중 하나 이상을 포함한다.
상기 레진은, PVC(Polyvinyl Chloride), 에폭시 수지, Butyl계 Resin 중 하나 이상을 포함한다.
상기 접착제층은, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지 중 하나 이상을 포함한다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 수소저장용기의 제조 공정은, 내화재 필름을 재단하는 단계; 및 재단된 상기 내화재 필름을 상기 수소저장용기 바디의 돔부 또는 실린더부 중 최소한 일부에 적층하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 수소저장용기 내화 성능 확보를 위한 내화재를 적용한 수소저장용기 및 그 제조 공정은, 필름 형태의 내화재를 수소저장용기에 부착 적용함으로써 종래의 방법 보다 불필요하게 재료가 손실되지 않아 원가절감이 가능해지고 공정 효율성 또한 높아진다.
또한, 본 발명에 따른 수소저장용기 내화 성능 확보를 위한 내화재를 적용한 수소저장용기 및 그 제조 공정은, 일면은 접착성이 있고 그 이면은 접착성이 없는 형태의 내화재 필름의 접착성이 있는 면을 용기에 접착시키는 방법을 사용하므로, 경화 공정 없이 생산성이 향상되며 내화 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수소저장용기 내화 성능 확보를 위한 내화재를 적용한 수소저장용기 및 그 제조 공정은, 접착력을 보유한 내화재 필름을 용기에 접착시킬 때 주로 용기 두께가 얇은 돔부 쪽을 보강하기 위해 내화재가 도입될 수 있을 뿐만 아니라 향후 용기 복합재가 얇아질수록 실린더부에 내화 성능의 보강을 위해 적용이 필요할 시 내화재 필름을 간단하게 실린더부에 접착함으로써 가능해지는 이점이 있다.
그리고, 본 발명에 따른 수소저장용기 내화 성능 확보를 위한 내화재를 적용한 수소저장용기 및 그 제조 공정은, 수소저장용기를 차량에 장착 시 유통에 요구되는 다양한 인증 항목 중 차량 화재 시 안전 확보를 위한 화염 시험 인증을 간단히 통과하는 데에도 유리한 효과가 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래의 수소저장용기에 내화재 도포 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내화재 필름의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장용기에 내화재를 적용하는 수소저장용기 제조 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 수소저장용기의 돔부용 내화재 필름의 일례를 나타낸다.
도 5는 도 3의 수소저장용기의 실린더부용 내화재 필름의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장용기의 일례를 나타낸다.
도 7은 탄소복합소재에 본 발명의 내화재 필름의 부착예이다.
도 8은 도 7에 대한 시험 결과를 설명하기 위한 도표이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내화재 필름의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내화재 필름의 제조 방법은, 내화재 혼합물을 준비하는 단계(S110), 시트(sheet) 형태로 성형하고 경화하여 내화재 시트를 제조하는 단계(S120), 내화재 시트의 한쪽면에 접착제층을 형성하는 단계(S130) 및 내화재 필름 생산 후 출고 단계(S140)를 포함한다.
상술하면, 먼저, S110 단계에서 불용성 내화재(예, 30~70 중량%), 휘발성 유기용매(예, 10~50 중량%), 유기 중합체(예, 10~50 중량%) 및 레진(예, 10~30 중량%)의 혼합물을 준비한다.
상기 불용성 내화재는, 규산나트륨, MCA(Melamine Cyanurate), 수산화알루미늄, 염화파라핀, DBDPE(Decabromodiphenyl Ethane), TBBA(Tetraromobisphenol A), TCPP((Tris-chloroisopropyl)phosphate), TEP(Triethyl Phosphate), TBP(Tributyl phosphate), Graphite 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 휘발성 유기용매는, 톨루엔, NMP(1-methyl-2-pyrrolidone) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 유기 중합체는, Styrene, Acrylic Acid, Acrylate 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 레진은, PVC(Polyvinyl Chloride), 에폭시 수지, Butyl계 Resin 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
다음에, 이와 같이 내화재 혼합물이 준비되면, S120 단계에서 상기 혼합물을 시트 형태로 성형하고 경화하여 내화재 시트를 제조한다. 이와 같은 내화재 시트를 제조하는 방법으로서, 바람직하게는 Calender 공법, T-die 압출 공법 등이 이용될 수 있으며, 필요에 따라서는 Casting 공법 등이 이용될 수도 있다. 여기서 시트 형태는 수소저장용기의 실린더(cylinder)부 또는 돔(dome)부에 적용을 위한 평면형 시트 또는 돔형의 시트 형태를 포함한다.
한편, 위와 같이 평면형 또는 돔형의 내화재 시트를 제조한 후, 내화재 시트의 한쪽면에 수소저장용기 바디(도 6 참조)와 접착을 위한 접착제층을 형성한다(S130). 상기 접착제층은, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
내화재 시트에 접착제층을 형성한 후에는, 접착제층 측에 이형지를 붙인 내화재 필름, 즉, 도 4와 같은 돔형 내화재 필름, 도 5와 같은 평면형 내화재 필름을 제품 형태로 출고할 수 있다(S140).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장용기에 내화재를 적용하는 수소저장용기 제조 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장용기 제조 공정은, 수소저장용기 치수 정보를 입력받는 단계(S210), 내화재 필름을 재단하는 단계(S220), 재단된 상기 내화재 필름을 상기 수소저장용기 바디(도 6의 10, 11, 12)의 돔부(11, 12) 또는 실린더부(10) 중 최소한 일부에 적층하는 단계(S230)를 포함한다.
상술하면, 먼저, S210 단계에서, 수소저장용기 바디(10, 11, 12)의 치수 정보를 입수(또는 획득)하거나 전자적 처리가 가능하도록 컴퓨터 등으로 입력받을 수도 있다.
다음에, 수소저장용기 바디(10, 11, 12), 예를 들어, 돔부(11, 12)에 부착하기 위하여, 해당 부분에 대한 치수 정보에 따라, 도 4와 같은 돔형 내화재 필름을 재단할 수 있으며, 또는 수소저장용기의 바디(10, 11, 12), 예를 들어, 실린더부(10)에 부착하기 위하여, 해당 부분에 대한 치수 정보에 따라 도 5와 같은 평면형 내화재 필름을 재단할 수 있다(S220).
이와 같이 돔형 또는 평면형 내화재 필름을 재단한 후에는, 재단된 해당 내화재 필름을 수소저장용기에 고정하기 위하여, 한쪽면의 이형지 등을 제거해 접착제층이 있는 쪽을 수소저장용기의 해당 부분에 부착한다(S230).
예를 들어, 도 3과 같이, 수소저장용기가 실린더부(10)의 일측 단부에 제1 돔부(11) 및 실린더부(10)의 타측 단부에 제2 돔부(12)를 포함하는 경우에, 내화재 필름을 재단할 때에(S220), 상기 수소저장용기 바디(10, 11, 12)의 일측 단부의 제1 돔부(11) 및 상기 수소저장용기 바디(10, 11, 12)의 타측 단부의 제2 돔부(12)에 대한 각각의 돔형 내화재 필름을 재단한다. 이후 S230 단계에서, 상기 수소저장용기 바디(10, 11, 12)의 일측 단부의 제1 돔부(11) 및 상기 수소저장용기 바디(10, 11, 12)의 타측 단부의 제2 돔부(12)에 재단된 상기 각각의 돔형 내화재 필름을 부착한다. 제1 돔부(11) 및 제2 돔부(12) 각각에 돔형 내화재 필름의 부착은 각 돔부의 적어도 50% 이상 내지 전체 면적을 커버하도록 부착하는 것을 의미하고, 바람직하게는 각 돔부 전체 및 그로부터 실린더부(10)로 연장되어 실린더부(10) 일부까지도 커버하도록 부착할 수 있다.
또한, 예를 들어, 수소저장용기 바디(10, 11, 12)의 실린더부(10)에 대응된 내화재 필름을 재단할 때에(S220), 도 5와 같은 평면형 내화재 필름을 재단한다. 이후 S230 단계에서, 상기 수소저장용기의 실린더부(10)에 재단된 상기 평면형 내화재 필름을 부착한다. 실린더부(10)에 평면형 내화재 필름의 부착은 실린더부(10)의 적어도 50% 이상 내지 전체 면적을 커버하도록 부착하는 것을 의미하고, 바람직하게는 실린더부(10) 전체 및 그로부터 각 돔부로 연장되어 각 돔부 일부까지도 커버하도록 부착할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장용기의 일례를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장용기는, 탄소복합소재 등 다양한 복합소재로 제작될 수 있으며, 실린더부(10) 및 실린더부(10)의 단부에 돔부(11, 12)를 포함하는 수소저장용기 바디(10, 11, 12) 및 상기 바디(10, 11, 12)의 돔부(11, 12) 또는 실린더부(10) 중 최소한 일부에 적층된 내화재 필름(도 4/도 5)을 포함할 수 있다.
돔부(11, 12)는, 실린더부(10)의 일측 단부에 제1 돔부(11) 및 실린더부(10)의 타측 단부에 제2 돔부(12)를 포함할 수 있다. 여기서, 돔부(11, 12)가 실린더부(10)의 양측 단부에 구비되는 형태를 예시하였으나, 경우에 따라서는 실린더부(10)의 일측 단부 또는 양측 단부 모두 평면형(예, 원형평면)인 경우도 있을 수 있다.
상기 수소저장용기의 돔부(11, 12)에는 도 4와 같은 돔형 내화재 필름이 제작되어 부착된다. 또한, 상기 수소저장용기의 실린더부(10) 등이나 평면에는 도 5와 같이 평면형 내화재 필름이 제작되어 부착된다. 상기 수소저장용기의 실린더부(10) 또는 돔부(11, 12) 중 최소한 일부에 본 발명의 내화재 필름(도 4 / 도 5)을 접착하여 적층할 수 있다.
도 7은 탄소복합소재에 본 발명의 내화재 필름의 부착예이다. 도 7과 같이, 수소저장용기의 재질인 탄소복합소재에 상기와 같은 본 발명의 내화재 필름을 부착하여 다음과 같이 실험하였다.
즉, 도 8과 같이, 수소저장용기에 최근접으로 불꽃의 온도를 400℃ 이상으로 하고 61분 동안 노출시킨 경우, 수소저장용기의 재질인 탄소복합소재 측에서 최고 온도는 211.8℃로 양호하며 부풀어 오른 두께가 15.79mm로 양호하였다.
수소저장용기의 재질인 탄소복합소재 시편과 본 발명의 내화재 필름 사이의 온도가 200℃ 가까이 도달하는 데에도 약 12분 정도 걸리므로 매우 우수한 내화 성능을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소저장용기 내화 성능 확보를 위한 내화재 적용 공정은, 필름 형태의 내화재를 수소저장용기에 부착 적용함으로써 종래의 방법 보다 불필요하게 재료가 손실되지 않아 원가절감이 가능해지고 공정 효율성 또한 높아진다.
또한, 본 발명에 따른 수소저장용기 내화 성능 확보를 위한 내화재 적용 공정은, 일면은 접착성이 있고 그 이면은 접착성이 없는 형태의 내화재 필름의 접착성이 있는 면을 용기에 접착시키는 방법을 사용하므로, 경화 공정 없이 생산성이 향상되며 내화 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수소저장용기 내화 성능 확보를 위한 내화재 적용 공정은, 접착력을 보유한 내화재 필름을 용기에 접착시킬 때 주로 용기 두께가 얇은 돔부 쪽을 보강하기 위해 내화재가 도입될 수 있을 뿐만 아니라 향후 용기 복합재가 얇아질수록 실린더부에 내화 성능의 보강을 위해 적용이 필요할 시 내화재 필름을 간단하게 실린더부에 접착함으로써 가능해지는 이점이 있다.
그리고, 본 발명에 따른 수소저장용기 내화 성능 확보를 위한 내화재 적용 공정은, 수소저장용기를 차량에 장착 시 유통에 요구되는 다양한 인증 항목 중 차량 화재 시 안전 확보를 위한 화염 시험 인증을 간단히 통과하는 데에도 유리한 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실린더부(10)
돔부(11, 12)

Claims (12)

  1. 실린더부 및 상기 실린더부의 단부의 돔부를 포함하는 수소저장용기 바디; 및
    상기 바디의 상기 돔부 또는 상기 실린더부 중 최소한 일부에 적층된 내화재 필름을 포함하는 수소저장용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내화재 필름은 상기 바디와 접착을 위한 접착제층을 포함하는 수소저장용기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돔부는, 상기 실린더부의 일측 단부의 제1 돔부 및 상기 실린더부의 타측 단부의 제2 돔부를 포함하고,
    상기 제1 돔부 및 상기 제2 돔부에 돔형 내화재 필름을 재단하여 부착한 수소저장용기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실린더부에 평면형 내화재 필름을 재단하여 부착한 수소저장용기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내화재 필름은,
    불용성 내화재, 휘발성 유기용매, 유기 중합체 및 레진의 혼합물을 시트 형태로 성형하고 경화한 내화재 시트의 한쪽면에 접착제층을 형성한 것인 수소저장용기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 혼합물은, 상기 불용성 내화재는 30~70 중량%, 상기 휘발성 유기용매 10~50 중량%, 상기 유기 중합체는 10~50 중량% 및 상기 레진 10~30 중량%를 포함하는 수소저장용기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 불용성 내화재는, 규산나트륨, MCA(Melamine Cyanurate), 수산화알루미늄, 염화파라핀, DBDPE(Decabromodiphenyl Ethane), TBBA(Tetraromobisphenol A), TCPP((Tris-chloroisopropyl)phosphate), TEP(Triethyl Phosphate), TBP(Tributyl phosphate), Graphite 중 어느 하나 이상을 포함하는 수소저장용기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 휘발성 유기용매는, 톨루엔, NMP(1-methyl-2-pyrrolidone) 중 하나 이상을 포함하는 수소저장용기.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 유기 중합체는, Styrene, Acrylic Acid, Acrylate 중 하나 이상을 포함하는 수소저장용기.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 레진은, PVC(Polyvinyl Chloride), 에폭시 수지, Butyl계 Resin 중 하나 이상을 포함하는 수소저장용기.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 접착제층은, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지 중 하나 이상을 포함하는 수소저장용기.
  12. 수소저장용기의 제조 공정에 있어서,
    내화재 필름을 재단하는 단계; 및
    재단된 상기 내화재 필름을 상기 수소저장용기 바디의 돔부 또는 실린더부 중 최소한 일부에 적층하는 단계
    를 포함하는 수소저장용기의 제조 공정.
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